田云生 趙天陽 孫拓 張遠強
應用于復雜的潮濕、酸性環境中的抗裂紋、抗侵蝕的鋼種如石油、天然氣輸送用耐酸管線鋼，硫[S]含量要求≤0.0020%，對生產工藝要求較高，屬于管線鋼中的前沿產品。隨著高酸性天然氣氣田的開采，這樣的超低硫管線鋼的需求量日益增加。本文主要分析了安鋼150噸LF爐在冶煉超低硫鋼過程中深脫工藝的操作流程，進而分析LF爐深脫硫工藝的關鍵環節，摸索出安鋼二煉軋廠生產耐酸管線鋼冶金控制工藝。
實施方案及研究動向
煉鋼設備及生產工藝。安鋼二煉軋廠有3座150噸轉爐，爐卷生產線精煉設備采用雙車單工位150噸LF爐，為VD爐提供一次精煉鋼水等精煉任務。
建立相應的評價機制把關原材料。
轉爐爐渣為堿性氧化渣，脫硫率低，冶煉過程中主要是控制其增硫。因此，在整個工藝控制中，若要得到轉爐低硫的粗鋼，原材料初始硫含量至關重要。表1為鐵水評價標準。
本次試驗廢鋼主要采用本廠返回的廢品，一般硫含量均在0.030%以下。實際操作中，在冶煉前，對石灰、鐵水進行抽檢取樣。表2為鐵水抽驗化驗結果。
石灰取樣抽檢各項指標相對較好，硫含量較低，平均0.024%，滿足一級石灰等級要求。
從表1、表2可以看出，鐵水硫含量相對較高，只有一爐（8K03779）硫含量達到了目標要求；鐵水溫度較高，鐵水折鐵后溫度平均為1385攝氏度，合格率為100%。
鐵水預處理。鐵水在入爐前，試驗采用鐵水預處理工藝，從而降低進入轉爐的硫含量。耐酸管線鋼冶煉過程中鐵水脫硫數據見表3。
從表3可以看出，耐酸管線鋼屬于超低硫鋼，在冶煉過程，脫硫周期相對較長，平均57分鐘，由于脫硫精度較高，石灰、鎂粉吹入量較多，扒損平均在4噸。
轉爐工藝控制。超低硫鋼冶煉在轉爐與其它鋼種區別在于：轉爐在吹煉過程中，在C、P進入目標要求后，還要兼顧脫硫任務，轉爐吹煉前期、中期，要把爐渣化透，提高爐渣堿度，當磷進入目標后，提高熔池溫度，必要時補加渣料以提高后期爐渣堿度，為脫硫提供高堿度條件。
轉爐裝入量：考慮轉爐脫磷和脫碳目標（終點碳≤0.03%，P≤0.012%）及150噸VD爐的冶煉能力，設計上出鋼量控制在140噸~145噸，故裝入量按鐵水140噸，廢鋼15噸設定（見表4）；從表4可以看出，總裝入量基本滿足預期設定標準，出鋼量略有波動，但能夠適應現場冶煉工藝要求。
通過以上工藝調整，本次生產轉爐終點指標控制較好，實現終點多項指標全部命中（見表5、表6）。
終點碳及終點氧：由于轉爐已無底吹，終點氧相對較高，平均1314ppm，終點碳均達到0.03%（除8K03777終點樣取樣失敗）以下。
終點硫：在確保脫硫扒渣，控制硫含量高的爐料（燒結返礦）加入量的條件下，試驗采用本廠自產廢鋼，不加生鐵塊，同時有意提高吹煉后期溫度，在終點取樣成功的爐次，終點硫均達到目標要求（目標[S]≤0.005%），平均0.0038%，即39ppmm。終點溫度：平均為1674攝氏度，4爐鋼全部命中目標（目標要求1660攝氏度~1680攝氏度）。合金化：出鋼采用金屬錳、硅鐵進行合金化，過程控制較好，4爐鋼Mn全部命中目標。出鋼頂渣：轉爐出鋼過程進行爐渣改質，即在出鋼過程中加入一定量的石灰，利用出鋼過程鋼水的攪動可促進進一步的脫硫，同時為LF爐深脫硫工藝造渣打基礎。本次試驗出鋼過程中一次性加入石灰（前兩爐200千克/爐，后兩爐300千克/爐）。
LF爐深脫硫工藝研究。
LF爐深脫硫是本次試驗的重點。筆者從脫硫的熱力學、動力學角度出發，工藝控制上前期以熱力學為主，當熱力學條件具備后，迅速提高攪拌強度，強化動力學條件，在最短時間內把硫脫至目標要求。
造渣工藝：渣料分三批加入，前兩批渣料主要用于造脫硫還原渣，石灰為1500千克/爐~1800千克/爐，精煉劑300千克/爐~600千克/爐，第三批渣料主要用于稀釋爐渣中的硫含量，調整爐渣粘度等。
第一爐鋼8K03776在LF爐精煉過程控制。8K03776為冶煉的第一爐鋼，在LF爐操作如圖1~圖3所示。
從圖1、圖2可以看出，本爐鋼進LF爐時溫度較高，為1615攝氏度。精煉開始6分鐘時，試驗對本爐鋼喂入鋁線，至精煉14分鐘時，已加入兩批渣料，此時石灰加入量共1598千克，精煉劑加入量共300千克，此時的溫度為1657攝氏度；觀察鋼渣液面，渣料已經全部化盡，流動性較好，此時開大氬氣流速至300標準升每分鐘（如圖3），6分鐘后取樣，鋼液的硫[S]含量為20ppm，沒有進入目標要求。試驗再次送電8分鐘，溫度顯示1698攝氏度，開大氬氣流速至850標準升每分鐘，攪拌4分鐘，取樣，鋼液硫[S]含量為12ppm，氬氣流速為850標準升每分鐘攪拌4分鐘，再次取樣，鋼液的硫含量[S]為1ppm。試驗將氬氣流速調至50標準升每分鐘，2分鐘后加入第三批渣料，進一步提高渣量，稀釋渣中硫含量，避免后序精煉過程發生回硫現象。
從圖1~圖3及現場冶煉情況分析如下。
溫度分析：鋼水溫度較高，最高溫度為1698攝氏度，鋼水滿足高溫條件，具備深脫硫熱力學要求；渣量分析：石灰加入量為1898千克，精煉劑為300千克，鋼水量為142.76噸，即脫硫時的渣量，石灰占比為13.29千克/噸鋼，精煉劑占比為2.10千克/噸鋼，總渣量占比為15.39千克/噸鋼，本爐鋼滿足大渣量條件，具備深脫硫熱力學要求。堿度分析：脫硫前爐渣堿度R經檢驗為5.16，堿度較高，滿足深脫硫熱力學要求。氧化性分析：本爐鋼在冶煉過程采用全程控鋁操作，從圖1可以看到，進LF爐后鋁[Al]含量為0.028%，送電6分鐘時，進行補加鋁線，取樣的鋁[Al]含量為0.031%，參考相關資料，[Al]≥0.010%時，鋼中氧[O]≤0.0007%可推斷，此時鋼中氧含量較低，鋼水滿足低氧化性條件，具備深脫硫熱力學要求。脫硫動力學分析：本爐鋼爐渣成型后，前期脫硫困難，通過攪拌，鋼水中硫含量降低不明顯。參考資料顯示，當硫脫除至0.0015%以下時，硫在鋼液中傳遞成為反應的限制環節。由此可知，前期脫硫由于氬氣流量控制較小，攪拌強度不夠，鋼渣界面更新相對較慢，這是前期脫硫困難的主要原因；后期調整氬氣流量，提高攪拌強度后，深脫硫任務順利完成。
8K03777、8K03778、8K03779在LF爐冶煉情況。根據第1爐的冶煉經驗，在以下3爐鋼冶煉過程中，對LF爐深脫硫工藝進行優化，當熱力學達到要求，即滿足脫硫要求的高堿度、高溫度、大渣量、低氧化性時，開大底吹氬氣（850標準升每分鐘），強化動力學條件，攪拌6分鐘左右時取樣，硫含量全部進入目標要求。
工藝優化后，LF爐操作趨于流程化，過程控制平穩，集中熱力學與動力學條件進行強力脫硫過程中，鋼水中硫含量降低明顯，能夠滿足耐酸管線鋼的超低硫冶金控制工藝要求。
LF爐脫硫綜合分析。依據8K03776、8K03777、8K03778、8K03779四爐鋼現場冶煉情況及取樣結果，對安鋼二煉軋廠150噸LF爐深脫硫工藝分析如下。
溫度：四爐鋼脫硫開始時溫度分別為1657攝氏度、1638攝氏度、1612攝氏度、1641攝氏度。第一爐經過調整LF爐底吹氬氣流量，強化脫硫動力學條件后，脫硫值進入目標，但此時溫度偏高（最高時達1698攝氏度），加劇了鋼包、電極等材料的侵蝕程度；后3爐脫硫比較平穩，特別是8K03778，溫度相對較低（脫硫開始時溫度1612攝氏度），這一溫度仍能滿足LF爐深脫硫的溫度條件，同時由于溫度相對較低，對鋼包、電極等材料侵蝕相對較小，有利于安全生產。
從表7可以看出，四爐鋼脫硫時的渣量大致相同，出鋼量按平均142噸計算，從轉爐出鋼采用石灰改質及LF爐造渣深脫硫，石灰總加入量（包括頂渣、第一批及第二批渣料）平均為1800千克/爐,約12.7千克/噸鋼，精煉劑為300千克/爐,約2.06千克/噸鋼，第三批渣料主要用于脫硫后稀釋渣中硫含量，防止回硫。氧化性：四爐鋼在脫硫前均提前喂入鋁線進行深脫氧，取樣分析四爐鋼脫硫前鋁含量均在0.030%~0.040%，說明鋁控制在0.030%~0.040%時，能夠滿足LF爐深脫硫工藝的低氧化性要求。動力學條件：8K03776因動力學條件不足，第一次脫硫沒有達到目標要求，經氬氣流量調整（由300標準升每分鐘增加至850標準升每分鐘）后，再次脫硫，鋼水中的硫下降明顯，效果顯著。由此分析可知，當熱力學條件滿足后，增強鋼水攪拌強度，強化動力學條件是LF爐達到深脫硫工藝的必要條件。
LF爐深脫硫工藝小結。在耐酸管線鋼冶金控制工藝中，LF爐實現深脫硫工藝的條件為：轉爐粗鋼中硫含量[S]≤0.005%；脫硫溫度≥1610攝氏度；脫硫時渣量分別是石灰為1800千克/爐（約12.7千克/噸鋼），精煉劑為300千克/爐（約2.06千克/噸鋼）；脫硫前鋼中鋁含量[Al]為0.020%~0.050%；堿度R約為5.0；動力學上，在條件允許的前提下盡可能提高攪拌強度，推薦氬氣流量為850標準升/分鐘。
試驗結果
通過控制原材料的硫含量，優化轉爐生產工藝，強化LF爐深脫硫能力，安鋼二煉軋廠順利完成了耐酸管線超低硫鋼冶煉試驗。其通過鋼坯取樣，采用碳硫儀化驗成品硫含量見表8。
從表8可以看出，本次試驗硫含量控制較好，成品硫含量全部命中目標要求，最低0.0002%，即2ppm，最高0.0005%，即5ppm，平均0.0004%，即4ppm。
結論
從試驗過程及數據統計來看耐酸管線鋼冶金控制工藝主要有以下幾點：
降低入轉爐原材料的硫含量，特別是用量較大的石灰、鐵水、廢鋼等，控制轉爐粗鋼硫[S]含量≤0.005%；強化LF爐熱力學條件，在鋼水脫硫開始時，溫度可控制在1610攝氏度~1650攝氏度；強化LF爐動力學條件，鋼水脫硫時氬氣流量為850標準升/分鐘；LF爐脫硫時間控制約為6分鐘；LF爐脫硫渣量控制，石灰總加入量約為12.7千克/噸鋼，精煉劑約2.06千克/噸鋼，總渣量約為14.76千克/噸鋼；為降低鋼水氧含量，LF爐冶煉全程鋼水鋁[Al]含量保持在0.020%~0.050%。
《中國冶金報》（2019年05月16日 06版六版）
